溶液法测定极性分子的偶极矩实验报告 

2012级有机化学实验设计性实验报告

题目：溶液法测定极性分子的偶极矩

报告作者： 专业名称： 化学教育 行政班级：2012化学教育三班

学生学号： 20122401115 指导老师： 实验时间： 2014年10月14日 提交时间： 2014年10月23日

一、实验目的

1.用溶液法测定正丁醇的偶极矩 2.了解偶极矩与分子电性质的关系 3.掌握溶液法测定偶极矩的实验技术

二、实验原理 1.偶极矩与极化度

(1)两个大小相等方向相反的电荷体系的偶极矩定义为，度量分子极性的大小。

①

1

式中，q是正负电荷中心所带的电量；d为正负电荷中心之间的距离；μ是一个矢量，其方向规定为从正到负。因分子中原子间的距离的数量级为10-10m，电荷的数量级为10-20C，所以偶极矩的数量级是10-30C·m。 (2)极化程度可用摩尔定向极化度P定向来衡量： P定向=4/3πNA*μ02/(3kT)=4/9πNA*μ02/(kT) ②

极性分子具有永久偶极矩，但由于分子的热运动，偶极矩指向某个方向的机会均等。所以偶极矩的统计值等于零。若将极性分子置于均匀的电场E中，则偶极矩在电场的作用下，趋向电场方向排列。这时称这些分子被极化了。极化的程度可以用摩尔转向极化度Pμ来衡量。Pμ与永久偶极矩μ的平方成正比，与绝对温度T成反比。

(3)极性分子所产生的摩尔极化度P是摩尔定向极化度、摩尔电子诱导极化度和摩尔原子诱导极化度的总和：

P=P定向+P诱导=P定向+P电子+P原子 ③ 2.摩尔极化度的计算

2. 摩尔极化度的计算

克劳休斯、莫索和德拜从电磁场理论得到了摩尔极化度P与介电常数 ε 之间的关系式。

P?ε－1M×ε＋2ρ ④

→

式中，M为被测物质的摩尔质量；ρ 为该物质的密度；ε 是介电常数。 但式⑥是假定分子与分子间没有相互作用而推导得到的。所以它只适用于温度不大低的气相体系，对某种物质甚至根本无法获得气相状态。因袭后来就提出了用一种溶液来解决这一困难。溶液法的基本想法是，在无限稀释的非极性溶剂中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是式⑥中的P。

在稀溶液中，若不考虑极性分子间相互作用和溶剂化现象，溶剂和溶质的摩尔极化度等物理量可以被认为是具有可加性。因此，式④可以写成：

P1，2?ε1，Mx?M2x22－1×11?x1P1?x2P2ε1，＋2ρ21,2 ⑤

2

式中，下标1表示溶剂；下标2表示溶质；x1表示溶剂的摩尔分数；x2表示

1表示溶剂的摩尔极化度；P2表示溶质的摩尔极化度。 溶质的摩尔分数；P对于稀溶液，可以假设溶液中溶剂的性质与纯溶剂相同，则

P1?P1?0ε1－1M1×ε1＋2ρ1 ⑥

0P2－x1PP2?x1P1P2?1，?1，x2x2 ⑦

Hedestrand 首先推导出经验公式，指出在稀溶液中溶液的介电常数和密度可以表示为

因此

ε1，2?ε1?ax2 ⑧

ρ1,2?ρ1?bx2 ⑨

ε1?1M1?ε1?ax2?1M1x1?M2x2??x?1?ε?ax?2ρ1?bx2ε1?2ρ1?12??limP?limP2x2?02x2?0?x2????????

?

3aε1M1ε1?1M2?bM1???2ρ1?ε1?2?ρ1ε1?2 ⑩

做ε1，2-x2图，根据式⑤由直线测得斜率a，截距ε1；作ρ1,2 -x2图，并根据式 由 ⑨直线测得斜率b，截距ρ1，代入式⑩得

P?2

三、由折光度计算电子极化度Pe

电子极化度可以使用摩尔折光度R代替，即

P?Re?2n?1M2?bM16n1M1c?limR2?12??22x2?0ρ1n1?2n1?2ρ1 ?

22??根据测量的溶液折射率n1,2作图n1.2-x2，由斜率求出c，就可以按照式计算出Pe 。

四、介电常数的测定

介电常数是通过测定电容计算而得的。如果在电容器的两个板间充以某种电解质，电容器的电容量就会增大。如果维持极板上的电荷量不变，那么充电解质

3

的电容器两板间电势差就会减少。设C0为极板间处于真空时的电容量，C为充以电解质时的电容量，则C与C0的比值ε称为该电解质的介电常数：

??C ? C0法拉第在1837年就解释了这一现象，认为这是由于电解质在电场中极化而引起的。极化作用形成一个反向电场，因而抵消了一部分外加电场。

测定电容的方法一般有电桥法、拍频法和谐振法，后两者为测定介电常数所常用，抗干扰性能好，精度高，但仪器价格昂贵。本实验中采用电桥法。实际所测得的电容C'样品包括了样品的电容C样品和电容池的分布电容Cx两部分，即

??C样品?Cx ? C样品对于给定的电容池，必须先测出其分布电容 Cx。可以先测出以空气为介质的电容，记为C'空 ，再用一种已知介电常数的标准物质，测得其电容C'标 。

??C空?Cx?C空 ?

?C?C?Cx标?标又因为

C标C标 ?? ?C0C空可得

??C?空C标 Cx?C?空? ?

?标?1??C?空C标 ?

?标?1 C0?计算出 Cx 、C0 之后，根据式⑥和式?可得样品的介电常数：

??C?xC溶 ?溶? ?

C0五、偶极矩的计算

通过上述步骤分别计算出P2 、R2之后，根据式②可得：

?9kP2??R2T?μ??0.128P2??R2T4πNA?????? ?

4

3.偶极矩的测定方法（溶液法测定偶极矩）

原理：在无限稀释的非极性溶剂中，溶质分子所处的状态和气相时相近，于是无限稀释溶液中的溶质的摩尔极化度可以看作是公式式中的P。 (1)无限稀释时溶质的摩尔极化度的公式：

P=P2∞=3αε1/(ε1+2)2 * Μ1/ρ1 + (ε1-1)/(ε1+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1 (2)习惯上用溶质的摩尔折射度R2表示高频区测得的摩尔极化度，因为此时P定向=0，P原子=0，推导出无限稀释时溶质的摩尔折射度的公式： P电子=R2∞=n2-1/(n12+2) * (Μ2-βΜ1)/ρ1+6n12Μ1γ/[(n12+2)2*ρ1] (3) 近似公式： ε

溶

=ε1(1+α* x2)

ρ溶=ρ1(1+β*x2) n溶=n1(1-γ*x2) (4) 永久偶极矩的获得

考虑到摩尔原子诱导极化度通常只有摩尔电子极化度的5%-15%，而且P定向又比P

原子

大得多，故常常忽略P原子，可得P定向=P2∞-R2∞=4/9πNA*μ02/(kT)

μ0=0.0128*[(P2∞-R2∞)*T]1/2 (5)介电常数的测定：用空气与一已知介电常数ε

空

溶

的标准物质分别测得电容C/

，C/标

C/空=C空+Cd= C0+Cd C/标=C标+Cd

则通过上两式可求得C0=（C/标-C/空）/（ε

标

标

-1） Cd=C/空-C0=C/空-（C/标-C/空）/（ε

-1）

溶

ε

= C溶/ C0=（C/溶- Cd）/ C0

三、仪器和试剂

1、仪器：阿贝折光仪1台,编号14UC1089；电容测量仪一台；电容池一台；电子天平一台；电吹风一只；25ml容量瓶4支；5ml、1ml移液管各一支；滴管5只；吸耳球一个；

2、试剂：正丁醇（分析纯）；环己烷（分析纯）；蒸馏水；自来水

5

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